Исследование тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на основе кремния для СВЧ применений

1.

Предзащита ВКР бакалавра
Пяточкин Михаил Дмитриевич
Исследование тепловых процессов в
гетероинтегрированных
многокристальных микромодулях на
основе кремния для СВЧ применений
Доклад по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата технических
наук по специальности 2.2.2. – Электронная компонентная база микро- и нано
электроники, квантовых устройств
Научный руководитель:
д.т.н., профессор Панасенко П.В.
Научный консультант:
к.ф.-м.н., Баранов Г.В.
Москва, 2025

2.

Частота, ГГц
Удельная мощность (Вт/мм2)
Актуальность. Тенденции повышения рабочего
диапазона частот и удельной мощности
Развитие сотовой связи
Пиковая
удельная
мощность
Средняя
удельная
мощность
2.1
1.1
Тендениция увеличения
удельной мощности РЭА
Источники: RF GaN Market: Applications, Players, Devices, and Technologies | www.yole.fr | ©2022
HIR Thermal Chapter 20: Thermal, 2023
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
2

3.

Актуальность. Негативное влияние перегрева
микросхем на характеристики и надежность
25,0
н.у.
минус 60°С
85°С
Рвых, Вт
20,0
15,0
12.0
10,0
107
8.0
106
5,0
204
0,0
230
9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0
Частота, ГГц
Амплитудно-частотная характеристика
передающего канала модуля М45345
в диапазоне частот 9,0…10,0 ГГц, Вт
Температурная зависимость времени
наработки до отказа
GaN кристаллов компании Qorvo
Источники: https://www.qorvo.com/products/d/da006480
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
3

4.

Актуальность. Достоинства кремниевых коммутационных плат
(интерпозеров)
• Отсутствие топологических ограничений по сравнению с LTCC и СВЧ печатными платами.
• Значительное уменьшение размеров коммутационной платы и СВЧ модуля.
• Интегрированные пассивные элементы, в т. ч. 3D – конденсаторы.
• Высокая воспроизводимость параметров СВЧ-коммутации кристаллов по сравнению с
проволочными выводами.
• Высокая теплопроводность кремния, латеральный теплоперенос.
• Квазимонолитное исполнение – решение задачи теплоотвода от кристаллов ИС.
Tосн = 60 ⁰С
84,3 °С
Ррасс = 30 Вт
LTCC
66,4 °С
Si-интерпозер
Вариант
коммутационной
платы
LTCC
Si- интерпозер
Квазимонолитная
3D-сборка
Rt, К/Вт
0,8
0,2
0,1
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
4

5.

Концепции СВЧ ППМ на основе кремниевого TSV-интерпозера
1. Гибридная сборка
многокристального
ППМ
1- контактная площадка (Au); 2 - межсоединения 2-го уровня (Au); 3 - СВЧ МПЛ (Au); 4 - диэлектрик
(BCB); 5 - тепло-, токопроводящий адгезив; 6 - металлический зародышевый слой; 7,8 - изолирующий
диэлектрик (SiO2); 9 - металлизация обратной стороны кристалла (Au); 10 - металлизированные TSVотверстия; 11 - межсоединения 1-ого уровня (Cu); 12 - диэлектрик конденсаторов (Si3N4).
Контактные площадки
СВЧ микрополосковые линии
2. 3D сборка
квазимонолитного
ППМ
RDL
Интегрированные
конденсаторы
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Низкочастотные
межсоединения
Вертикальные
металлизированные
отверстия (TSV)
Заземленные
экраны
5

6.

Актуальность. Современное состояние в области разработок систем
теплоотвода в СВЧ модулях
Создание микроканалов в кремниевом интерпозере
для систем принудительного жидкостного охлаждения
Источники: https://www.nature.com/articles/s41378-022-00462-3
HIR Thermal Chapter 20: Thermal, 2023
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
6

7.

Цели и задачи работы
Цель работы
Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования
тепловых процессов в гетероинтегрированных многокристальных микромодулях на
основе кремниевого интерпозера для СВЧ применений и в конструкциях на их основе.
Основные задачи
• Провести аналитический обзор конструкций и технологий создания систем
теплоотводов в многокристальных 2.5D и 3D модулях и микросборках.
• Провести компьютерное моделирование, создать 3D модели СВЧ микромодулей и
отдельных их узлов, а также провести исследования оптимальных и предельных
тепловых режимов в приемо-передающих модулях, реализованных на основе
кремниевых интерпозеров.
• Выполнить верификацию тепловой модели на примере многокристального ППМ на
основе кремниевого интерпозера.
• Исследовать систему эффективного теплоотвода, построенную на принципе
адиабатического расширения газа, в качестве альтернативного решения системам с
циркуляцией охлаждающей жидкости.
• Выполнить исследование конструктивных особенностей системы теплоотвода для ППМ
с кратковременной эксплуатацией, основанной на применении интегрированного в
конструкцию ППМ теплоаккумулятора.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
7

8.

Научная новизна
1.Предложена система теплоотвода СВЧ модуля, основанная на принципе
адиабатического расширения газа в расширяющемся канале внутри металлического
основания СВЧ модуля и обладающая сравнимой эффективностью по отношению к
системам с циркуляцией охлаждающей жидкости при площади основания не более
400 мм2, но отличающаяся простотой реализации и компактностью.
2. Установлено, что формирование на незащищенной поверхности многокристального СВЧ
модуля, предназначенного для кратковременной эксплуатации, теплоаккумулятора на
основе парафина позволяет снизить скорость нагрева модуля более чем в 3 раза с
минимальным влиянием на СВЧ параметры. При этом минимальный удельный объем
теплоаккумулирующего материала составляет 0,9 см3 на 1 Вт выделяемой тепловой
мощности.
3. Определены температурные зависимости тепловых характеристик парафина
(коэффициент теплоемкости, коэффициент теплопроводности и объёмная плотность
материала) в диапазоне температур 23 – 80 оС, включающем точку фазового перехода из
твердого в жидкое состояние, обеспечивающие сходимость расчётов тепловых моделей с
экспериментальными данными контроля температуры многокристальных СВЧ модулей с
нанесенным слоем теплоаккумулятора на основе парафина с погрешностью не более 2%.
4. Получен комплекс результатов по определению конструктивных принципов
проектирования Si интерпозеров для снижения их теплового сопротивления и
обеспечения высокоэффективного теплоотвода: определены геометрические границы и
плотность заполнения объема кремния TSV каналами под тепловыделяющим кристаллом,
обеспечивающие вклад в тепловое сопротивление не более 4% от общего значения.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
8

9.

Положения, выносимые на защиту
1. Количественные оценки эффективности подавления перегрева и граничных размерных
факторов теплоаккумулятора на основе парафина при его использования на
незащищенной поверхности многокристального СВЧ модуля, предназначенного для
кратковременной эксплуатации которые позволяют увеличить время выхода на
стационарный режим в 2 раза, а скорость нарастания температуры уменьшить более чем в
3 раза, полученные на основе экспериментальных данных и результатов тепловых
расчётов.
2. Температурные зависимости тепловых характеристик парафина (коэффициент
теплоемкости, коэффициент теплопроводности и объёмная плотность материала) в
диапазоне температур 23 – 80 оС, включающем точку фазового перехода из твердого в
жидкое состояние, обеспечивающие сходимость расчётов тепловых моделей с
экспериментальными данными контроля температуры многокристальных СВЧ модулей с
нанесенным слоем теплоаккумулятора на основе парафина с погрешностью не более 2%.
3. Система теплоотвода СВЧ модуля, основанная на принципе адиабатического
расширения газа в расширяющемся канале внутри металлического основания СВЧ модуля,
позволяющая уменьшить нагрев модуля до 30% и обладающая сравнимой
эффективностью по отношению к системам с циркуляцией охлаждающей жидкости,
отличающаяся простотой реализации и компактностью.
4. Принципы топологического проектирования Si интерпозеров, предназначенных для
использования в составе многокристальных СВЧ модулей, обеспечивающие снижение их
теплового сопротивления и высокоэффективный теплоотвод.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
9

10.

Разработка и исследование системы
теплоотвода для СВЧ модулей с
кратковременной эксплуатацией, основанной
на применении интегрированного
теплоаккумулятора
П1. Количественные оценки эффективности
подавления перегрева и граничных размерных
факторов теплоаккумулятора на основе
парафина при его использования на
незащищенной поверхности
многокристального СВЧ модуля,
предназначенного для кратковременной
эксплуатации которые позволяют увеличить
время выхода на стационарный режим в 2
раза, а скорость нарастания температуры
уменьшить более чем в 3 раза, полученные на
основе экспериментальных данных и
результатов тепловых расчётов.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

11.

Исследуемый образец ППМ Х-диапазона до нанесения теплоаккумулятора (а) и
с теплоаккумулятором (б)
Основные параметры СВЧ ППМ Х-диапазона
Диапазон рабочих частот, ГГц
7,5…8,5
Непрерывная выходная мощность при Рвх = 1 мВт, не менее, Вт
1,0
КПД передающего тракта, %
38
Выделяемая тепловая мощность ВУМ, Вт
1,63
Коэффициент шума приёмного канала, не более, дБ
2,5
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
11

12.

Частотные зависимости коэффициента шума Кш приемного тракта и выходной
мощности Pвых передающего тракта СВЧ модуля
Кш, дБ
3,0
2,5
2,0
8,6 ГГц
1,5
7,0
7,5
8,0
8,5
Частота, ГГц
9,0
9,0 ГГц
9,5
До нанесения парафина
После нанесения парафина
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
12

13.

Временная зависимость нагрева основания ППМ
60
Vнагрева= 7,5 °C/мин
55 °C
Температура, оС
55
Теплоаккумулятор
позволяет увеличить время
выхода на стационарный
режим в 2 раза, а скорость
нарастания температуры
уменьшить более чем в 2,8
раза
50
Vнагрева= 2,7 °C/мин
45 °C
45
40
35
30
4 мин
8 мин
25
0
1
2
3
До нанесения парафина
4
5
Время, мин
6
7
8
9
После нанесения парафина
Временная зависимоть нагрева ППМ до нанесения
парафина и после
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
13

14.

Схематичное изображение моделируемых структур, СВЧ модуль без ТАМ (а) и
СВЧ модуль с ТАМ (б)
Допущение при моделировании: о распределенном
источнике тепловыделения
Начальные условия: температура окружающей среды 25 °C;
свободный конвективный теплоотвод; мощность ВУМ в
непрерывном режиме 1,7 Вт; КПД 38%
Материал
Размеры, мм
Теплопроводность, Вт/м•°C
Кристалл ВУМ (GaAs)
4,6×4,6×0,1
55
Клей XH9960-1
4,6×4,6×0,05
75
Si интерпозер
15×9×0,25
150
Псевдосплав МД40
20×15×0,2
65
Припой ПСр 72
20×15×0,03
250
Медное основание
20×15×2,8
401
Теплоаккумулятор (парафин)
20×15×1,0
0,5
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
14

15.

Результаты моделирования нагрева СВЧ модуля без нанесения
теплоаккумулятора до выхода на стационарный
температурный режим; со слоем теплоаккумулятора
Т = 54,6 °С; t = 4 мин
Т = 45,7 °С; t = 8 мин
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
15

16.

Временная зависимость выхода ППМ на стационарный температурный режим
(для разных объемов теплоаккумулятора) при выделяемой
тепловой мощности 5 Вт
Установлено, что минимальный удельный объем теплоаккумулирующего
материала составляет 0,9 см3 на 1 Вт выделяемой тепловой мощности.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
16

17.

Разработка и исследование системы
теплоотвода для СВЧ модулей с
кратковременной эксплуатацией, основанной
на применении интегрированного
теплоаккумулятора
П2. Температурные зависимости тепловых
характеристик парафина (коэффициент
теплоемкости, коэффициент теплопроводности
и объёмная плотность материала) в диапазоне
температур 23 – 80 оС, включающем точку
фазового перехода из твердого в жидкое
состояние, обеспечивающие сходимость
расчётов тепловых моделей с
экспериментальными данными контроля
температуры многокристальных СВЧ модулей с
нанесенным слоем теплоаккумулятора на
основе парафина с погрешностью не более 2%.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

18.

Результаты моделирования нагрева ППМ с ТАМ и без
Модуль
Параметр
Температура на поверхности
тепловыделяющего элемента
(кристалла СВЧ МИС), °C
Относительный нагрев, °C
Скорость нагрева, °C/мин
Время выхода на
стационарную температуру, с
ППМ без
ТАМ
ППМ с
ТАМ
ППМ без
ППМ с ТАМ
ТАМ
Моделирование
Эксперимент
54,6
45,7
55
45
8,9
7,4
0
2,6
10
7,5
0
2,7
240
480
240
450
Значения параметров тепловой модели, учтеные в ходе верификации
модели
Параметр
Значение
Коэффициент свободного
h=7
конвективного теплоотвода, Вт/(м2·°C)
Коэффициент изменения
Ср(Т) = 2,3 + 0,01Т, при Т<Тплавл.
теплоемкости парафина от
Ср(Т) = 2,6 + 0,05(Т- Тплавл.), при Т>Тплавл.
температуры, кДж/(кг·°C)
Коэффициент изменения
W(Т) = 0,25 + 0,0005Т, при Т<Тплавл.
теплопроводности парафина от
W(Т) = 0,175 - 0,0002(Т- Тплавл.), при Т>Тплавл.
температуры, Вт/(м·°C)
Коэффициент изменения плотности ρ(Т) = 925 - 0,3Т, при Т<Тплавл.
парафина от температуры, кг/м3
ρ(Т) = 800 - 0,5(Т- Тплавл.), при Т>Тплавл.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
18

19.

Разработка и исследование системы
эффективного теплоотвода, построенной
на принципе адиабатического расширения
газа
П3. Система теплоотвода СВЧ модуля,
основанная на принципе адиабатического
расширения газа в расширяющемся канале
внутри металлического основания СВЧ
модуля, позволяющая уменьшить нагрев
модуля до 30% и обладающая сравнимой
эффективностью по отношению к системам
с циркуляцией охлаждающей жидкости,
отличающаяся простотой реализации и
компактностью.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

20.

Разработка и исследование системы эффективного теплоотвода, построенной
на принципе адиабатического расширения газа
Адиабатическое расширение газа — это процесс, при котором газ расширяется без
теплообмена с окружающей средой. Согласно первому закону термодинамики, при
адиабатическом расширении внутренняя энергия газа уменьшается, что приводит к снижению его
температуры. Этот эффект может быть использован для охлаждения активных элементов ППМ.
Основное уравнение адиабатического процесса описывается следующим образом:
где Т — температура газа, V — объем газа, γ — показатель адиабаты (отношение
теплоемкостей при постоянном давлении и объеме).
Температура газа после адиабатического расширения может быть рассчитана по формуле:
где T1 и T2 — начальная и конечная температуры газа, V1 и V2 — начальный и конечный
объем.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
20

21.

Блок-схема системы эффективного теплоотвода, построенной на принципе
адиабатического расширения газа
ППМ
(с адиабатическим
контуром)
Регулято
р
давления
ПК
Компрессор
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
21

22.

Латунные основания с расширяющимися каналами различной геометрии
Параметр
Основание №1 Основание №2 Основание №3 Основание №4
Tосн = 25 ⁰С
Ррасс = 12 Вт
Форма канала
Ступенчатая
Ступенчатая
Конусовидная
Линейная
Входной
2
2
2
2
8
4
4
2
56,5
64,0
63,2
67,1
0
7,5
6,7
10,6
0
13,3
11,9
18,8
диаметр канала,
мм
Входной
диаметр канала,
мм
Температура
основания, оС
Разница
температуры
основания, оС
Относительный
нагрев, %
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
22

23.

Разработка и исследование системы эффективного теплоотвода, построенной
на принципе адиабатического расширения газа
Модель №1. Ступенчатый канал, вх. 2 мм, вых. 8 мм.
Максимальная температура 57,1 оС
Модель №2. Ступенчатый канал, вх. 2 мм, вых. 4 мм.
Максимальная температура 64,9 оС
Модель №3. Конусовидный канал, вх. 2 мм, вых. 8
мм.
Максимальная температура 64,5 оС
Модель №4. Линейный канал, без расширения, 2 мм.
Максимальная температура 69,2 оС
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
23

24.

Разработка и исследование системы эффективного теплоотвода, построенной
на принципе адиабатического расширения газа
Модель 1. Адиабатическое расширение газа,
Tmax = 46,2 оС
Модель 2. Водяное охлаждение, Tmax = 43,4 оС
Модель 3. Адиабатическое расширение газа,
Tmax = 41,2 оС
Модель 4. Водяное охлаждение, Tmax = 38,7 оС
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
24

25.

Результаты сравнительного моделирования
Параметр
Форма канала
Тип охлаждения
Модель №1
Модель №2
Модель №3
Конусовидная, Конусовидная, с Конусовидная,
Модель №4
Конусовидная,
с ребрами
ребрами
с ребрами, 3 шт. с ребрами, 3 шт.
Адиабатическое
Водяное
Адиабатическо
расширение
Водяное
е расширение
Входной диаметр канала, мм
1
1
1
1
Выходной диаметр канала, мм
9
9
9
9
Температура основания, оС
46,2
43,4
41,2
38,7
Разница температуры основания,
7,5
4,7
2,5
0
оС
Основные способы увеличения эффективности охлаждения:
1) Увеличить начальное давление.
2) Увеличить объем газа.
3) Подборка эффективного газа.
4) Более высокий коэффициент расширения канала.
5) Оптимизация формы канала.
6) Увеличение площади боковой поверхности
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
25

26.

Исследование эффективности системы
теплоотвода на основе Si интерпозера
П4. Комплекс результатов по определению
конструктивных принципов
проектирования Si интерпозеров для
снижения их теплового сопротивления и
обеспечения высокоэффективного
теплоотвода: определены геометрические
границы и плотность заполнения объема
кремния TSV каналами под
тепловыделяющим кристаллом,
обеспечивающие вклад не более 4% от
общего теплового сопротивления модуля.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

27.

Концепции СВЧ ППМ на основе кремниевого TSV-интерпозера
Гибридная сборка
многокристального
ППМ
1- контактная площадка (Au); 2 - межсоединения 2-го уровня (Au); 3 - СВЧ МПЛ (Au); 4 диэлектрик (BCB); 5 - тепло-, токопроводящий адгезив; 6 - металлический зародышевый слой; 7,8 изолирующий диэлектрик (SiO2);9 - металлизация обратной стороны кристалла (Au);
10 - металлизированные TSV-отверстия; 11 - межсоединения 1-ого уровня (Cu); 12 - диэлектрик
конденсаторов (Si3N4).
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
27

28.

Сравнение влияния латерального теплоотвода для ППМ на
низкотемпературной керамике и на основе кремниевой коммутационной
платы
Материал
Параметр
Кремний с
LTCC с медными
Медь (прямой
металлизированным тепловыми
Печатная плата
монтаж кристалла на
и TSV
стоками
(15 Вт/м•К)
медный теплоотвод)
(170 Вт/м•К)
(20 Вт/м•К)
Температура на
поверхности
тепловыделяющих
элементов
(кристаллов СВЧ
МИС), °C
Относительный
перегрев
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
55
58
84
90
0%
5%
53%
64%
28

29.

Исследование вкладов различных слоев модуля в тепловое сопротивление
интерпозера
№
Rt,
% от общего Rt
55
0,086
10 %
4,6×4,6×0,05
60
0,039
4,7 %
Si интерпозер с TSV
10×10×0,2
119
0,07
8,3 %
4
Клей XH9960-1
10×10×0,05
60
0,036
4,3 %
5
МД-40
10×10×0,2
70
0,23
27,2 %
6
Припой ПСр 72
10×10×0,05
170
0,013
1,5 %
7
Медное основание
10×10×1,2
393
0,13
15,3 %
8
Припой ПСр 72
10×10×0,05
170
0,013
1,5 %
9
МД-40
10×10×0,2
75
0,23
27,2 %
Слой
Размеры, мм
1
Кристалл GaAs
4,6×4,6×0,1
2
Клей XH9960-1
3
Теплопроводность при
75°C , Вт/м•К
Общее тепловое сопротивление
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
0,847
29

30.

Исследование вклада металлизации в тепловое сопротивление интерпозера
Теплопроводностьпр
Материал
Размеры, мм
Кристалл ВУМ SiC
4,6×4,6×0,1
178
Клей XH9960-1
4,6×4,6×0,05
60
Si интерпозер
10×10×0,1
119
МД-40
10×10×0,1
245
Медное основание
10×10×2
393
и 80°C , Вт/м•К
Если система металлизации
составляет более 12% от общей
площади кристалла УМ, то ее
вклад не существенно меняется и
составляет менее 4% от теплового
сопротивления.
4%
12%
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
30

31.

Заключение
1.
Получен комплекс результатов по определению конструктивных принципов
проектирования Si интерпозеров для снижения их теплового сопротивления и
обеспечения высокоэффективного теплоотвода: определены геометрические границы
и плотность заполнения объема кремния TSV каналами под тепловыделяющим
кристаллом, обеспечивающие вклад в тепловое сопротивление не более 4% от общего
значения.
2.
Предложена система теплоотвода СВЧ модуля, основанная на принципе
адиабатического расширения газа в расширяющемся канале внутри металлического
основания СВЧ модуля и обладающая сравнимой эффективностью по отношению к
системам с циркуляцией охлаждающей жидкости при площади основания не более 400
мм2, но отличающаяся простотой реализации и компактностью.
3.
Установлено, что
формирование на
незащищенной поверхности
многокристального СВЧ модуля, предназначенного для кратковременной эксплуатации,
теплоаккумулятора на основе парафина позволяет снизить скорость нагрева модуля
более чем в 3 раза с минимальным влиянием на СВЧ параметры. При этом
минимальный удельный объем теплоаккумулирующего материала составляет 0,9 см3
на 1 Вт выделяемой тепловой мощности.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
31

32.

Заключение
4.
Определены температурные зависимости тепловых характеристик
парафина (коэффициент теплоемкости, коэффициент теплопроводности и объёмная
плотность материала) в диапазоне температур 23 – 80 оС, включающем точку
фазового перехода из твердого в жидкое состояние, обеспечивающие сходимость
расчётов тепловых моделей с экспериментальными данными контроля температуры
многокристальных СВЧ модулей с нанесенным слоем теплоаккумулятора на основе
парафина с погрешностью не более 2%.
Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу создания
приемо-передающих модулей на основе кремниевого интерпозера для СВЧ
применений. К настоящему времени они использованы при выполнении ОКР
«Многоцветник-51-Т» – «Разработка и освоение серийного производства
многокристального гетероинтегрированного приемо-передающего модуля в
диапазоне частот 8,5-11,5 ГГц на основе TSV–интерпозера»; в проектах с Фондом
перспективных исследований: «Мозаика» – «Технология интегральных модулей ммдиапазона длин волн для планарной АФАР»; «Базальт-НГ-НИИМЭ» – «Разработка
ЭКБ на основе кремния и нитрида галлия и субмодуля приемо-передающего канала
на её основе».
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
32

33.

Апробация работы
1.
Международный Форум «Микроэлектроника 2017», «Моделирование тепловых
процессов в СВЧ модулях с различными основаниями», г. Алушта, 2018 г.
2.
Международный Форум «Школа молодых ученых», «Миниатюризация приемопередающих модулей СВЧ диапазона, реализованных методами 3D кремниевой
технологии», г. Гурзуф, 2018 г.
3.
Международный Форум «Микроэлектроника 2019», «Особенности технологии
изготовления кремниевых коммутационных плат для СВЧ модулей», г. Гурзуф, 2019 г.
4.
Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT) IEEE,
«Miniaturization of microwave transmit-receive modules, implemented using 3D silicon
technology», Moscow, 2020 г.
5.
Международный Форум «Микроэлектроника 2024», «Исследование проблем
теплового распространения в малогабаритных СВЧ приемо-передающих модулях АФАР»,
г. Сочи, 2024 г.
Результаты данного исследования были использованы в НТО НИР:
ОКР «Многоцветник-51-Т» – «Разработка и освоение серийного производства
многокристального гетероинтегрированного приемо-передающего модуля в диапазоне
частот 8,5-11,5 ГГц на основе TSV–интерпозера»; в проектах с Фондом перспективных
исследований: «Мозаика» – «Технология интегральных модулей мм-диапазона длин волн
для планарной АФАР»; «Базальт-НГ-НИИМЭ» – «Разработка ЭКБ на основе кремния и
нитрида галлия и субмодуля приемо-передающего канала на её основе».
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
33

34.

Список публикаций по теме диссертации
1. Пяточкин М.Д., Волосов А.В., Панасенко П.В., «Моделирование тепловых процессов в
СВЧ-модулях с различными основаниями», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), стр.
443-444, 2018 год, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.443.444. (ВАК)
2. Волосов А.В., Панасенко П.В., Пяточкин М.Д., «Особенности технологии изготовления
кремниевых коммутационных плат для СВЧ модулей», НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА»
(Москва), стр. 415-416, 2019 год, DOI: 10.22184/NanoRus.2019.12.89.415.416. (ВАК)
3. Пяточкин М.Д., Котляров Е.Ю., Мелекесцев В.С., «Миниатюризация приемо-передающих
модулей СВЧ диапазона, реализованных методами 3D кремниевой технологии»,
НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), стр. 690-693, 2020 год, DOI: 10.22184/19938578.2020.13.3s.690.693. (ВАК)
4. Пяточкин М.Д., Котляров Е.Ю., Тишин А.С., «Miniaturization of microwave transmit-receive
modules, implemented using 3D silicon technology», Moscow Workshop on Electronic and
Networking Technologies (MWENT) IEEE, 2020, DOI: 10.1109/MWENT47943.2020.9067346.
(ВАК, WoS)
5. Пяточкин М.Д., Панасенко П.В., Баранов Г.В., «Исследование проблем теплового
распространения в малогабаритных СВЧ приемо-передающих модулях АФАР»,
НАНОИНДУСТРИЯ «ТЕХНОСФЕРА» (Москва), 2024. (ВАК)
6. Пяточкин М. Д., Баранов Г.В., Кривошеев А.В., Панасенко П. В., «Особенности
применения теплоаккумуляторов в СВЧ модулях с кратковременной эксплуатацией»,
Электронная техника, Серия: 3: Микроэлектроника, 2025. (ВАК)
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
34

35.

Акты о внедрении результатов диссертационной работы
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
35

36.

Спасибо за внимание!
E-mail: mpyatochkin@niime.ru
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

37.

Дополнительные слайды
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ

38.

Вопросы и замечания
Андреев Степан Николаевич
д.ф.-м.н., начальник отдела радиофотоники МФТИ
1. Какие конструктивные решения необходимо предусмотреть при проектировании корпуса
для СВЧ модуля с теплоаккумулятором, чтобы учесть изменение объема парафина при
фазовом переходе и предотвращения избыточного давления при испарении?
Ответ: при переходе в жидкое состояние объем парафина увеличивается, поэтому при
заполнении объекта парафином необходимо оставить пустым 10-15% общего объема корпуса.
2. В главе 3 представлены материалы с высокой теплоемкостью, однако отсутствует системный
анализ их применимости для создания теплоаккумулирующих элементов. Почему акцент
сделан на парафине?
Ответ: сравнивались сплавы из нафталина, буроугольного и полиэтиленового восков; парафин
обладает более лучшими параметрами для аккумулирования тепла большая тепломкость и
низкая диэлектрическая проницаемость).
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
38

39.

Вопросы и замечания
3. В главе 4 проведено исследование системы теплоотвода на основе адиабатического
расширения газа, но не понятно какой вклад вносит именно расширяющий канал, а какой
воздушный поток, было бы интересно провести дополнительный расчет двух вариантов
каналов с одинаковой площадью боковой поверхности, с расширением и без.
Ответ:
4. В главе 4 не во всех моделях точно описаны начальные условия моделирования.
Ответ: согласен.
5. В чем заключается разработанный способ построения 3D модели кристаллов из
топологических файлов?
Ответ: написан скрипт который позволяет получить из топологического файла объемную
3D модель путем вытягивания каждого слоя на определенную высоту.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
39

40.

Вопросы и замечания
Астапенко Валерий Александрович
д.ф.-м.н., профессор
Профессор кафедры радиоэлектроники
и прикладной информатики МФТИ
1.Имеется некоторая небрежность в оформлении
диссератционной работы. Например, рисунки с
пояснениями как на русском, так и на английском
языке, абзацы из одного предложения, опечатки в тексте.
Ответ: согласен.
2.Имеет ли влияние на СВЧ параметры толщина слоя
теплоаккумулятора?
Ответ: с увеличением толщины слоя парафина от 50 мкм до 1000 мкм происходит смещение
АЧХ фильтра вниз по частоте (сдвиг центральной частоты около 300 МГц), полоса пропускания
изменяется в пределах 3%. При этом отметим, что стабилизация частотных характеристик
наступает при толщине парафинового слоя 200 мкм и более.
3.Рассматривались ли расширяющиеся каналы другой формы, например, канал в виде змейки
с большей площадью боковой поверхности или расширяющийся канал, но с витками?
Ответ: из-за поворотов и витков будет сильное сопротивление воздушному потоку, и скорее
всего эффективность охлаждения будет ниже.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
40

41.

Вопросы и замечания
Бокарев Валерий Павлович
д.т.н., начальник отдела научно-технической информации
и патентно-лицензионной работы АО «НИИМЭ»
1. Как влияет состав парафина на СВЧ параметры и теплоотвод, какие еще материалы
возможно использовать в качестве теплоаккумуляторов и почему был выбран именно
парафин?
Ответ: чем меньше примесей тем меньше диэлектрическая проницаемость парафина,
следовательно, наименьшее изменение СВЧ параметров; на теплоотвод влияние
возможно по разному (зависит от плотности, теплоемкости, теплопроводности);
также рассматривались сплавы из нафталина, буроугольного и полиэтиленового восков.
2. Как физически объяснить форму графиков на рисунке 44,
почему график с 1 см3 парафина имеет 2 горизонтальные
ступени?
Ответ: вначале наблюдается нагрев твердого парафина;
далее первая ступень это плавление парафина;
затем нагрев жидкого парафина и вторая ступень выход
на стационарную температуру.
3. Почему в эксперименте используется сжатый воздух, а в тексте упоминается, что гелий
более перспективный?
Ответ: сжатый воздух является наиболее доступным и менее пажароопасным чем гелий и
водород.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
41

42.

Вопросы и замечания
Симаков Сергей Сергеевич
д.ф.-м.н., заведующий кафедрой вычислительной физики МФТИ
1. Почему в главе 3 при фазовом переходе парафина из жидкого в твердое состояние мы
наблюдаем увеличение выходной мощности СВЧ модуля?
Ответ: потому что при фазовом переходе парафина из жидкого в твердое состояние у него
уменьшается диэлектрическая проницаемость с 2,0 до 1,8.
2. Не будет ли снижаться эффективность охлаждения после нескольких циклов прохода
сжатого воздуха из-за теплообмена с основанием (Рисунок 46)?
Ответ: после каждого цикла воздух будет нагреваться, снижая эффективность охлаждения,
поэтому для случая с сжатым воздухом
3. Почему конусовидный канал показал лучшую эффективность теплоотвода чем
ступенчатый?
Ответ: плавный конусовидный канал эффективнее в теплоотводе из-за минимизации
турбулентности и трения воздуха о стенки.
4. Некоторые рисунки, представленные в диссертационной работе, содержат описание на
английском языке, не переведенное на русский язык. В тексте работы в некоторых
разделах недостаточно полно приводятся настройки параметров в среде моделирования.
Есть ряд опечаток в тексте.
Ответ: согласен.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
42

43.

Вопросы и замечания
Тимошенков Сергей Петрович
д.т.н., профессор, директор Института нано- и микросистемной техники
1. В работе не уделено должное внимание описанию численных методов, использованных
для теплового моделирования.
Ответ: согласен.
2. Рассматривались ли другие полимеры с высокой теплоемкостью в главе 3, почему был
исследован только парафин?
Ответ: Рассматривались сплавы из нафталина, буроугольного и полиэтиленового восков.
Парафин был выбран из-за своей доступности и хороших тепловых характеристик для
теплоаккумулятора.
3. Чем обусловлен выбор именно такой геометрии воздушного канала на рисунках 22, 23?
Ответ: была разработана именно такая геометрия канала для увеличения площади
боковой поверхности и более эффективного теплоовода (площадь боковой поверхности
увеличилась более чем в 4 раза, по сравнению с каналом без боковых ребер).
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
43

44.

Вопросы и замечания
Мальцев Петр Павлович
д.т.н., заслуженный деятель науки РФ, профессор
ведущий научный сотрудник ФГБУН Межведомственный центр аналитических исследований в
области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук
1. Какое влияние на СВЧ тракт оказывает формирование теплоаккумулятора на незащищенной
поверхности многокристального СВЧ модуля?
Ответ:
Частотная зависимость коэффициента передачи
при изменении толщины парафина
от 50 мкм до 1000 мкм
2. В главе 4 описана реализация системы теплоотвода на основе адиабатического расширения
воздуха для единичного ППМ, каким образом возможно реализовать ее для нескольких
модулей в АФАР?
Ответ: Один компрессор на несколько воздушных каналов к каждому ППМ.
3. Как температурные изменения влияют на характеристики СВЧ модуля и почему?
Ответ:
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
44

45.

Вопросы и замечания
Ведущая организация, АО «ОКБ-Планета»
1. Некоторые рисунки, представленные в диссертационной работе, содержат описание на
английском языке, не переведенное на русский язык. В тексте работы в некоторых разделах
недостаточно полно приводятся настройки параметров в среде моделирования.
2. В главе 3 недостаточно полно представлен анализ материалов с высокой теплоемкостью, с
точки зрения пригодности для формирования теплосборника.
3. В главе 4 не определено какой именно вклад в охлаждение модуля вносит адиабатическое
расширение газа, а какой конвективный теплоотвод за счет потока сжатого воздуха.
Ответ: со всеми замечаниями согласен
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
45

46.

Вопросы и замечания
Организация где проводилась опробация, АО «НИИМЭ
1. Из 130 страниц текста диссертации Глава 1 (обзор литературы) составляет 74 страницы, на
примерно 20 страницах которого нет ссылок на литературу, стоит сократить литературный
обзор.
2. В презентации много времени отведено введению и актуальности работы, стоит сократить эту
часть и уделить большее внимание положениям, выносимым на защиту.
3. НТС рекомендует уделить внимание верификации данных упомянутых в тексте диссертации.
4. Слайд 18. Расписать более подробно метод получения параметров тепловой модели
5. Слайд 3. Перевести подписи к рисунку на русский
6. Слайд 15. Более подробно описать исходные данные моделирования и метод подсчетов
САПР.
7. Более четко сформулировать 4 пункт раздела научная новизна, отбросив выражение
«комплекс результатов».
8. Уточнить формулировку 4 положения, выносимого на защиту.
Ответ: со всеми замечаниями согласен, внес изменения в текущую презентацию.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
46

47.

Вопросы и замечания
Ефимов Александр Сергеевич
к.т.н., инженер 2 категории, Акционерное общество «Научно-производственное предприятие
«Исток» им. А.И. Шокина»
1.В главе 2 сравнение конструкций с латеральным теплоотводом недостаточно информативное,
так как сравнивается с конструкцией, где отличается нижнее теплоотводящее основание.
Ответ: согласен.
2.Большинство представленных расчётов конструкций ППМ на основе кремниевого
интерпозера проведены при заданной температуре окружающей среды 23 °С – нормальных
условиях. Ввиду сильной зависимости теплового сопротивления кремния, предпочтительней
иметь данные расчётов при повышенной температуре окружающей среды – 85 °С.
Ответ:
Tокр= 80 °С
Pтепл.= 30 Вт
104,3 °С
86,4 °С
3.В тепловых расчётах, где имитируется
выделение тепла выходного усилителя
мощности СВЧ, не указана топология области
тепловыделения.
Ответ: согласен
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
LTCC
Si-интерпозер47
2.5D

48.

Вопросы и замечания
Резванов Аскар Анварович
к.ф-.м..н., начальник лаборатории АО «НИИМЭ
1. В главе 3 исследована модель с допущением о
распределённом источнике тепловыделения. В
действительности тепловыделение возникает в локальных
зонах области затвора усилительных схем, что определяет
иное распределение тепловых полей в структуре СВЧ модуля.
Ответ: согласен.
2. Одним из допущений всех тепловых моделей является
рассмотрение только одного самого нагруженного источника
тепловыделения. Между тем, СВЧ модули могут включать до
десятка различных схем, включая буферные усилители,
поглощающие ограничители мощности, преобразователи
уровней питающих напряжений и др., которые могут
оказывать влияние на характер расположения локальных зон
нагрева и профиль растекания тепловых потоков.
Ответ: на рисунке показаны результаты моделирования
ППМ , где завалась выделяемая средняя мощность с
поверхности кристалла УМ 20 Вт, с универсально
управляющего кристалла 1.9 Вт и с МШУ 0.3 Вт.
НИИМЭ
НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
УМ
Corechip
МШУ
48

49.

Актуальность. Сравнение конструктивных решений 2D и 2.5D
в многокристальных гетероинтегрированных ППМ
фирма EADS, Нидерланды
На многослойной
печатной плате, LTCC
конструктив 2D
14х65 мм; S=